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技術(shù)專題

色度學與彩色電視之電視RGB計色制與彩色正確重現(xiàn)

發(fā)布日期:2014-07-08 點擊:2358

2.4.1 電視RGB計色制

前面介紹了物理RGB計色制和XYZ計色制,利用它們已經(jīng)可以解決色度學的各種計算。但在彩色電視中,由于顯象管三種熒光粉發(fā)出的紅、綠、藍三原色*并非是物理RGB計色制中的三基色,所以使用上述兩種計色制進行彩色電視的顏色計算時,會感到復(fù)雜。為此,提出電視RGB計色制,它的關(guān)鍵是直接利用彩色顯象管熒光粉發(fā)出的三原色作為三基色單位,從而使彩色電視的顏色計算大為簡化。

一、電視三基色的選定

電視RGB計色制的三基色就是顯象管三種熒光粉發(fā)出的三原色,它們的選取基于下面的考慮:

1、在CIE色度圖中,由于自然界所有實色的集合是一舌形面積,任意三基色所組成的三角形是不可能重現(xiàn)所有顏色的。除非選四個以上基色,用多邊形去逼近舌形區(qū)域,但這會增加技術(shù)上的復(fù)雜性,是一種理論上可行、而實際上不可行的方案。所以,只能選取三基色,使基組成三角形面積最大。由于舌形區(qū)域與三角形大體相近,且紅、綠、藍三譜色位于它的三個頂端,故選取紅、綠、藍三譜色作為三基色時,所圍三角形面積最大。

2、在確定顯象管三原色坐標時,還必須考慮熒光粉的發(fā)光效率,一般來說,顏色飽和度越高,熒光粉發(fā)光效率越低。發(fā)光效率將會影響圖象的亮度和對比度。因此,必須兼顧重視顏色的飽和度和亮度。

3、在實際生活中,鮮艷的紅、橙、黃、綠是常見的并引起美感的顏色,而飽和的藍、綠一帶的顏色則不常見。所以D RGB的RG邊應(yīng)盡量靠近光譜軌跡,而BG邊可以離光譜軌遠一些。

4、700nm的紅光,435.8nm的藍光相對視敏函數(shù)值很小,這說明要獲得足夠亮度的紅、藍譜色光,所需要的能量相當大。

 

根據(jù)2~4三條原因,顯象三基色不能選取紅、綠、藍三種譜色,而應(yīng)在非譜色區(qū),適當選取三點。在圖2.4-1中標出了NTSC制和PAL制顯三基色以及物理R、G、B三基色的坐標位置,它們的具體坐標值,如表2-5所示。

上述做法,雖然犧牲了一些重現(xiàn)的色域,卻換來了較高的彩色亮度。而重現(xiàn)高亮度比重現(xiàn)高飽和度的彩色更為重要,這樣做是合算的。另外,所選顯象三基色能重現(xiàn)的顏色對彩色而言已經(jīng)相當豐富的了。為了便于理解這一點,在圖2.4-1中,給出彩色膠片,印刷品、繪畫、染料等能夠重現(xiàn)的色域,用W 區(qū)表示。它還不及顯象三基色三角形的面積大,而且顯象三基色還能重現(xiàn)更多的引起美感的紅、橙、黃、綠高飽和度的顏色,所以顯象三基色能重現(xiàn)的色域?qū)θ搜蹃碚f,是已經(jīng)相當滿意的了。

二、顯象三基色單位、、的確定

為了建立電視RGB計色制,必須確定顯象三基色單位、和。上面已經(jīng)確定了它們的色度坐標,但還得求出它們各自的色模,才能使顯象三基色單位、和確定下來。為此,NTSC制作出規(guī)定;顯象三基色各為1單位時,能相混出1光瓦和C白,即

1+1[+1=(1光瓦) (2.4-1)

顯象三基色單位是、、,若用XYZ制表示,則

(2.4-2)

所以

(1光瓦) (2.4-3)

在XYZ計色制中,若已知1光瓦C白的色度坐標的值(見表2-5),則可以求出它的三色系數(shù)。令

(2.4-4)


將C白的色坐標

代入式(2.4-4)得

0.9810[X]+1[Y]+1.1835[Z]= (2.4-5)

令式(2.4-3)和式(2.4-5)對應(yīng)相等,并將、、的色坐標(見表2-5)代入式(2.4-3),可以求得

=0.9060,=0.8286,=1.4320

所以,式(2.4-2)可用下列矩陣表示

(2.4-6a)

(2.4-6b)

由逆矩陣運算可得

(2.4-7a)

(2.4-7b)

三、不同計色制的轉(zhuǎn)換與亮度方程

在電視RGB計色制中,可以用顯象管三基色以任意比例配出某彩色光。其配色方程為

=+[+ (2.4-8)

對于同一彩色光,也可用XYZ計色制的配色方程表示

=X[X]+Y[Y]+Z[Z] (2.4-9)

類似物理RGB制和XYZ制的轉(zhuǎn)換關(guān)系,可以求出電視RGB制和XYZ制三色系數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

(2.4-10a)

(2.4-10b)

(2.4-11a)

(2.4-11b)

在式(2.4-6)、式(2.4-7)、式(2.4-10)和式(2.4-11)中、[B]、和互為逆矩陣,而和[B]、和互為轉(zhuǎn)置矩陣。這四個矩陣知其一,可求其三。以上轉(zhuǎn)換關(guān)系與式(2.2-26)、式(2.2-27)、式(2.2-29)、式(2.2-30)描述的物理RGB制和XYZ制的轉(zhuǎn)換關(guān)系完全相似。

綜上所述,所有不同計色制都可以相互轉(zhuǎn)換,但是一般都與XYZ制進行轉(zhuǎn)換,以便統(tǒng)一分析比較。假設(shè)有任一計色制,例如RGB計色制,它需要同XYZ制進行轉(zhuǎn)換,兩者必存在下列關(guān)系:

= (2.4-12a)

=[A] (2.4-12b)

= (2.4-12c)

(2.4-12d)

式中,[A]、、、四個矩陣中存在互逆和互為轉(zhuǎn)置矩陣的關(guān)系,若知其一,可求其在一,由于分布色系數(shù)是三色系數(shù)的特例,所以式(2.4-12c、d)對分布色系數(shù)也成立,即

= (2.4-13a)

= (2.4-13b)

從式(2.4-11)中,可以異出非常有實用價值的亮度方程。

Y=0.299+0.587+0.114 (2.4-14)

上述亮度方程表明了電視RGB制中,任一彩色光的在一色系數(shù)與其亮度之間的關(guān)系。利用這個方程,可進行亮度計算和基色信號的變換,這一點將在第三章中講授。這個公式是在NTSC制中規(guī)定1[R]+1[G]+1[B]=的條件下導出來的。

四、適用于PAL制的電視RGB計色制

前面所講的不同制式的轉(zhuǎn)換關(guān)系在色度學中是普遍適用的。當顯象三基色和基準白的色度坐標確定后,再附加

1+1[+1=(1光瓦)

的條件,式(2.4-12)中矩陣的系數(shù)就可求出來,即可確定電視RGB制和XYZ制的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。

前面是采用NTSC制顯象三基色和C白色度坐標來建立電視RGB計色制的,因此它的具體數(shù)據(jù)適用于NTSC制彩色電視的色度計算。對于PAL制,應(yīng)當選用PAL制顯象三基色和白光色度坐標,并假定顯象三基色各有一個單位能配成1光瓦白光,即

1+1[+1=(1光瓦) (2.4-15)

由此可導出適當于PAL制的電視RGB計色制與XYZ制的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系:

(2.4-16a)

(2.4-16b)

(2.4-17a)

(2.4-17b)

由式(2.4-17)可得到適用于PAL制的亮度方程

Y=0.222+0.707+0.071 (2.4-18)

它的物理意義及作用與NTSC制的亮度方程(見式2.4-14)完全相同,但是它的導出條件(見式2.4-15)與NTSC制亮度方程的導出條件是不相同的。

由于NTSC制彩色電視系統(tǒng)比PAL制早十幾年,所以PAL制并沒有采用(2.4-18)的理論亮度方程,仍然習慣地沿用NTSC制的亮度方程。這樣做,雖然有一定的誤差,但是主要特性仍能滿足視覺對亮度的要求,所以,人們就一直沿用下來了。

2.4.2 彩色的正確重現(xiàn)

彩色電視的實現(xiàn)基于彩色的分解與合成,2.4.1節(jié)又介紹了電視RGB計色制。有了這兩方面的知識,就可以討論彩色電視系統(tǒng)究竟需要滿足什么條件,才能實現(xiàn)彩色的正確重現(xiàn)(即重現(xiàn)圖象的顏色與原景物的顏色一致)。


彩色顯象管是采用空間混色,它重現(xiàn)的彩色光可用顯象三基色表示:

=+[+ (2.4-19)

現(xiàn)有任一景物的彩色光為,它的功率譜為P(l ),若要顯象管重現(xiàn)的彩色和景物色光完全相同,則在電視RGB制中的三色系數(shù)應(yīng)滿足:

(2.4-20)

上式中,、、為電視RGB計色制中的分布色系數(shù),即配出一瓦任意譜色光所需要的顯象三基色的數(shù)值。它們可由XYZ制的分布色系數(shù)求出。NTSC制和PAL制分別按式(2.4-10)和式(2.4-16)計算,從而得到兩種制式的混色曲線分別如圖2.4-3(a)和(b)所示。

為了使問題簡化,假設(shè)顯象管三條電子束的束流正比于三個控制電壓(即視頻圖象信號),而熒光粉輻射光的強弱也正比于束流的大小,因此,要使重現(xiàn)色光,則顯象管的三個控制電壓應(yīng)分別為、、。進一步假設(shè)傳輸通道也是線性的,并且放大倍數(shù)等于1。所以三支攝象管的輸出電壓、和應(yīng)滿足關(guān)系

,, (2.4-21)

時,才能實現(xiàn)彩色的正確重現(xiàn)。


從攝象機看,假如紅、綠、藍三支攝象管的光譜響應(yīng)特性分別為、和,則三支攝象管對功率譜的P(l )的景物而言,它們的輸出電壓分別為

(2.4-22)

在式(2.4-20)和式(2.4-22)中,若要使彩色正確重現(xiàn),對于任意功率譜P(l ),都要求滿足,,的條件,故必須要求

=,=,= (2.4-23)

上式說明,在線性電視系統(tǒng)中,只有當攝象管的光譜響應(yīng)曲線與顯象管的混色曲線相匹配時,才能實現(xiàn)彩色的正確重現(xiàn)。

實際的電視系統(tǒng)是非線性的,一般攝象管g=1,顯象管g =2.2~ 2.8,在攝象管后增加g 校正電路來補償顯象管的g 失真,在這種情況下,上述結(jié)論也是成立的。

若用PAL制攝象機攝象,而用NTSC制的顯象管顯象,則重現(xiàn)圖象的彩色必然存在著誤差,此時,必須采用校色矩陣電路來消除彩色失真。

在圖2.4-3中,顯象管的混色曲線存在著負值,若要實現(xiàn)彩色的正確重現(xiàn),則攝象機的光譜響應(yīng)曲線也應(yīng)存在負值;然而,從鏡頭直到攝象管總的光譜響應(yīng)曲線只有正值,不可能出現(xiàn)負值。為此,必須采用各種方法對攝象機的光譜響應(yīng)曲線進行校正,使其顯象管的混色曲線相匹配,這種處理稱為彩色校正。

 

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